CN104552918A - 一种振动摩擦焊接机的伺服驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种振动摩擦焊接机的伺服驱动系统，所述伺服驱动系统包括伺服电机、减速箱、传动轴，所述伺服电机安装在所述减速箱上并通过所述减速箱驱动所述传动轴运动，所述传动轴的一端或两端设有传送装置，所述传送装置连接并驱动所述振动摩擦焊接机的升降台沿着所述振动摩擦焊接机的机架上下运动；所述伺服驱动系统还包括连接并控制所述伺服电机的转速和／或力矩的控制装置。本发明解决了现有技术中台面的升降速度低及定位精度低的问题。

Description

一种振动摩擦焊接机的伺服驱动系统

技术领域

本发明涉及一种驱动系统，特别涉及一种用于摩擦焊接机的伺服驱动系统。

背景技术

振动摩擦焊接机是一种实现摩擦焊接功能的机器，其间被焊接的制件在压力下相互摩擦直到生成的摩擦和剪切热量使接触面达到充分熔融状态。当达到设定焊接深度时，相对运动停止，进入保压阶段焊缝冷却并固化。其适用于几乎所有的热可塑性材料的焊接。例如，将两个塑料工件被压紧在一起，其中一件固定不动，另一件作直线往复运动，在一定的可调的位移振动振动幅度和可调的频率下，从而产生摩擦热，使两件塑料件的焊接线熔化、固接。

振动摩擦焊接机一般包括安装在机架上的振动头和升降台。焊接时，一个焊接工件装于振动头下面的驱动夹具上，另一件工件装于升降台的夹具上，升降台的上下升降由一个气缸或液压系统提供动力，当焊接时升降台把两焊接工件紧紧压在一起、振动头开始振动，经过几秒到10秒时间，就能将两工件焊接起来。

目前，摩擦焊接机的驱动系统一般可分为液压驱动和气动驱动。液压驱动一般要设有液压油箱、液压缸、泵、阀以及控制阀关断的电路等部件，在具体应用中，液压驱动存在有诸多的缺陷，如下：

a、台面的升降速度低。液压台面实际的最大平均速度约为200mm／s。台面升降速度的高低直接影响生产周期时间的长短。

b、定位精度低。液压系统的定位精度约在±1.0mm左右，无法满足高定位精度要求的应用要求。

c、环境污染风险大。液压驱动系统存在漏油风险，漏出的液压油对环境存在较大污染。

而气压驱动要设有气阀、气缸以及控制气阀的电流源，在具体的应用中，气动驱动系统也同样存在诸多缺陷：

a、台面的升降速度低。一般气动台面实际的最大平均运行速度仅约为150mm／s。

b、定位精度低。气压驱动台面系统的定位精度约在±3.0mm左右。

发明内容

本发明提供了一种区别于现有液压驱动系统和气压驱动系统的应用在振动摩擦焊接机的伺服驱动系统。

本发明实施例提供的振动摩擦焊接机的伺服驱动系统，包括伺服电机、减速箱、传动轴，所述伺服电机安装在所述减速箱上并通过所述减速箱驱动所述传动轴运动，所述传动轴的一端或两端设有传送装置，所述传送装置连接并驱动所述振动摩擦焊接机的升降台沿着所述振动摩擦焊接机的机架上下运动；所述系统还包括连接并控制所述伺服电机的转速和／或力矩的控制装置。

上述控制装置包括：用户可设定需求的人机操作界面，第一处理单元，伺服控制器；所述第一处理单元接收来自所述人机操作界面的信息，向伺服控制器发送指令，并接收来自伺服控制器的反馈信号；所述伺服控制器接收所述第一处理单元发来的指令，并向其发送反馈信号；根据收到的指令调整所述伺服电机的转速和／或力矩输出，和／或控制所述升降台的台面行走位置，并发送输出信息给所述伺服电机。

上述减速箱上设有输出轴，所述输出轴与所述传动轴连接。

上述输出轴上安装有扭矩检测装置，用于检测所述减速箱的力矩输出，并将此力矩输出发送给所述控制装置。

上述控制装置还包括第二处理单元，接收来自所述扭矩检测装置的力矩输出，通过内设的PID闭环控制程序调整所述伺服电机的转速和／或力矩，生成力矩指令和／或转速指令，并将所述力矩指令和／或转速指令发送给伺服控制器；以及所述伺服控制器接收所述第一处理单元和／或第二处理单元发来的指令，并向其发送反馈信号；根据收到的指令调整所述伺服电机的转速和／或力矩输出，和／或控制所述升降台的台面行走位置，并发送输出信息给所述伺服电机。

上述第一处理单元、所述第二处理单元为一个CPU单元或者两个CPU单元。

上述伺服控制器包含位置闭环控制模式、力矩闭环控制模式、速度闭环控制模式的一种或多种。

上述传送装置包括链轮以及链条，所述传动轴通过所述链轮与所述链条连接并驱动所述升降台。

上述伺服驱动系统还包括可检测所述升降台的当前台面位置信息的位移传感器，所述位移传感器将所述位置信息发送给所述控制装置。

上述伺服驱动系统还包括第三处理单元，接收来自所述位移传感器的位置信息，根据所述位置信息计算调整所述伺服电机的转速并生成力矩指令和／或转速指令，将所述力矩指令和／或转速指令发送给伺服控制器。

上述第一处理单元、所述第二处理单元和所述第三处理单元为一个CPU单元或者两个CPU单元或者三个独立的CPU单元。

本发明提供了一种区别于现有液压驱动系统和气压驱动系统的应用在振动摩擦焊接机的伺服驱动系统，通过利用控制装置控制设置在减速箱上的伺服电机通过减速箱驱动传动轴运动，传动轴与被驱动装置之间通过传送装置连接，实现了对被驱动装置的驱动。相比于现有液压驱动系统和气压驱动系统，本发明的伺服电机通过电力驱动，非常环保，整个系统运行更加稳定和准确，处理速度更快。同时，本发明的控制装置上设有用户可设定需求的人机操作界面，处理单元，和伺服控制器，用来调节伺服电机的转速和／或力矩输出，和／或控制所述升降台的台面行走位置，可以实现速度可调，运行速度快，以及定位精度高的技术优点。尤其是进一步的在减速箱的输出轴上设有扭矩检测装置，可以进一步检测减速箱的力矩输出，并将此力矩输出发送给所述控制装置，进一步实现了输出扭矩与夹紧力的精确控制。同时由于伺服控制器可以实现同时或分别对接收的数据进行分析运行，在节约内存和同时实现多任务处理方面实现自由和可调整的优点。

具体的，本发明提供的使用了该伺服驱动系统的振动振动摩擦焊接机具有以下优点：

1.本发明提供的焊接机性能更加稳定，升降台的位置可以按照设计速度运行，且平稳无冲击。

2.本发明提供的焊接机升降台台面运行速度很快，最大平均运行速度可以达到500mm／s。工件生产周期缩短。

3.台面行走及定位精度高，定位精度可以达到±0.1mm。

4.夹紧力精确稳定。输出端的扭矩检测装置与伺服系统形成的扭矩闭环能够提供精确稳定的夹紧力。

5.无环境污染风险。

附图说明

参考附图本发明的实施例将被描述如下：

图1是本发明实施例提供的伺服驱动振动摩擦焊接机机械结构示意图；

图2是本发明实施例提供的控制装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明主要是提供了一种使用在振动摩擦焊接机领域，区别于现有液压驱动和气压驱动的伺服驱动系统。该伺服驱动系统包括伺服电机、减速箱、传动轴。所述伺服电机可安装在所述减速箱上并通过所述减速箱驱动所述传动轴运动，所述传动轴的一端或两端可设有传送装置连接并驱动被驱动装置。采用伺服电机的优势是伺服电机可以在闭环的控制模式下使用，其可以随时把信号传给系统，又同时把系统给出的信号来修正自己的运转。并且伺服电机是通过接收和发送脉冲信号实现运转的，例如，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，而同时伺服电机本身也具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，控制装置就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

本发明的伺服电机可以采用直流伺服电机，也可以采用交流伺服电机，这由用户自由决定。直流伺服电机分为有刷和无刷电机；有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便(换碳刷)，产生电磁干扰，对环境有要求，可用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相，电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低，因而适合做低速平稳运行的应用。

伺服电机与减速箱的配合使用，可以提供满足应用的高输出扭矩。所述伺服控制系统还包括连接并控制所述伺服电机的转速和力矩的控制装置。伺服电机转子转速受到来自控制装置的信号控制，并能快速反应，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移信号或角速度信息输出给传动轴。具体的控制装置包括人机操作界面，用户可以通过人机操作界面设置工作参数，监控工作状态。控制装置还包括第一处理单元和伺服控制器，所述第一处理单元接收来自所述人机操作界面的信息，向伺服控制器发送指令，并接收来自伺服控制器的反馈信号；所述伺服控制器接收所述第一处理单元发来的指令，并向其发送反馈信号；所述伺服控制器根据收到的指令调整所述伺服电机的转速和／或力矩输出，并将此输出信息发送给所述伺服电机。

另外还可以在减速箱上的输出轴上安装有可以检测所述减速箱的力矩输出的扭矩检测装置，所述扭矩检测装置将此力矩输出发送给所述控制装置。所述控制装置还包括第二处理单元，接收来自所述扭矩检测装置的力矩输出，通过内设的PID闭环控制程序调整所述伺服电机的转速和／或力矩，生成力矩指令和／或转速指令，并将所述力矩指令和／或转速指令发送给伺服控制器。设置扭矩检测装置可以通过对输出轴的力矩检测而自动调整伺服电机的扭矩输出。所述控制装置可以是单片机，所述人机操作界面可以是触摸屏控制操作，也可以是机械按键操作。所述第一处理单元和第二处理单元可以是一个或两个CPU单元，也可以是一个或两个具有逻辑编程功能的器件。CPU单元或可编程功能器件与扭矩检测装置、伺服控制器可以通过总线或者硬件线连接。

所述伺服控制器包含位置闭环控制模式、力矩闭环控制模式、速度闭环控制模式的一种或多种。位置闭环控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。力矩闭环控制模式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出力矩的大小。速度闭环控制模式是通过模拟量的输入或脉冲的频率进行转动速度的控制。

以下结合附图介绍一种具有本发明伺服驱动系统实施例的振动摩擦焊接机的实施例，如图1所示，所示振动摩擦焊接机包括机架1，安装在机架1上的升降台2和振动头3，所述升降台2可沿机架1上下运动。伺服电机4安装在减速箱5上，减速箱上设有输出轴与传动轴6连接，所述传动轴6的两端分别设有链轮，传动轴6通过链轮与链条7连接并驱动升降台2。焊接时，一个焊接工件装于振动头1下面的驱动夹具上，另一件工件装于升降台2的夹具上，伺服电机4通过所述减速箱5驱动所述传动轴6运动，传动轴通过链轮与链条7驱动升降台2运动。当升降台2把两焊接工件紧紧压在一起、振动头3开始振动并焊接。

具体的所述减速箱5的输出轴为空心轴，传动轴6穿过该空心轴，通过键传递扭矩，如图1所示。可选择地，减速箱的输出轴也可为实心轴，包括单向输出实心轴和双向输出实心轴。如果是单向输出实心轴，那么减速箱固定在机架上，输出轴与传动轴平行，输出轴通过连接装置如链轮链条或者同步带等与传动轴连接并传递扭矩。如果是双向输出实心轴，那么减速箱固定在机架上且位于两个输出轴之间，两个输出轴分别通过连接装置例如联轴器与传动轴连接并传递扭矩。

具体的本实施例中所述链条采用齿形链，此外还可采用滚子链或者套筒链以及其它结构形式。

控制装置的实施例如图2所示，包括伺服控制器，所述伺服控制器与伺服电机可以通过总线通讯、wifi无线通讯等方式连接，伺服控制器向所述伺服电机发送转速和／或力矩输出信息控制伺服电机的转速和／或力矩输出。同时，伺服控制器也同时接收来自伺服电机的运动信号。具体的，伺服控制器向伺服电机发送的是脉冲信号，伺服电机接收所述脉冲信号，旋转1个脉冲对应的角度。伺服电机每旋转一个角度，同样发出对应数量的脉冲，伺服控制器根据接收到的伺服电机发送的脉冲信号可以判断发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，以此来监控伺服电机的工作状态。

人机操作界面是用来方便用户设置工作参数，监控系统的工作状态的，具体是一种触摸屏控制操作，也可以是机械按键操作。人机操作界面可以独立安装在振动摩擦焊接机的机身上，也可以设置在伺服控制器上，也可以以电脑显示屏的形式存在。人机操作界面也可以通过总线通讯或者无线通讯等方式与伺服控制器通讯连接。人机操作界面可以实现对振动摩擦焊接机的灵活控制。

控制装置还包括CPU处理单元，所述CPU处理单元接收来自所述人机操作界面的信息，向伺服控制器发送指令，并接收来自伺服控制器的反馈信号。所述CPU处理单元通过总线通讯或者无线通讯等方式与伺服控制器、人机操作界面通讯连接。所述CPU处理单元、伺服控制器、人机操作界面可以同时存在于一个独立的控制装置中，也可以根据具体情况，灵活地分别存在于不同的装置中。例如CPU处理单元可以与人机操作界面组成独立的控制产品。

另外，为了提高对振动摩擦焊接机的驱动精度，还可以在振动摩擦焊接机的关键部位上设有传感器，例如在减速箱5的输出轴上设有扭矩检测装置8，所述扭矩检测装置8检测所述减速箱5的力矩输出。所述扭矩检测装置8与所述CPU处理单元、伺服控制器、人机操作界面通过总线通讯、无线通讯、I／O模块等方式连接，因此CPU处理单元可以接收到所述扭矩检测装置8的力矩输出信号并通过内设的PID闭环控制程序调整所述伺服电机4的转速和／或力矩，生成力矩指令和／或转速指令，并将所述力矩指令和/或转速指令发送给伺服控制器，所述伺服控制器接收所述CPU处理单元发来的指令，并向其发送反馈信号；根据收到的指令调整所述伺服电机4的转速和／或力矩输出，并将此输出信息发送给所述伺服电机4。

同样，还可以在振动摩擦焊接机的升降台或链条上设有可检测所述升降台的当前台面位置信息的位移传感器，所述位移传感器与所述CPU处理单元、伺服控制器、人机操作界面通过总线通讯、无线通讯、I／O模块等方式连接，所述CPU处理单元接收来自所述位移传感器的位置信息，根据所述位置信息计算调整所述伺服电机的转速并生成力矩指令和／或转速指令，将所述力矩指令和／或转速指令发送给伺服控制器。所述伺服控制器接收所述CPU处理单元发来的指令，并向其发送反馈信号；根据收到的指令调整所述伺服电机的转速和／或力矩输出，并将此输出信息发送给所述伺服电机。

同理，任何设置在振动摩擦焊接机或伺服控制系统的其他元件都可以通过总线通讯、无线通讯、I／O模块等方式相互连接。

在如图1所示的实施例中，所述伺服控制器可以设置位置闭环控制模式、力矩闭环控制模式、速度闭环控制模式的一种或多种。当伺服控制器设置为位置闭环控制模式时，在所述振动摩擦焊接机的一个自动焊接周期中，所述位置闭环控制模式使用在所述升降台的台面到达设定位置之前以及待零件焊接完成后。在所述振动摩擦焊接机的一个自动焊接周期中，所述升降台的台面到达设定位置后，切换到力矩闭环模式下进行零件的焊接，待零件焊接完成后再切换到位置闭环模式，使所述升降台的台面下降直至回复原位。在振动摩擦焊接机的手动操作中，伺服控制器在速度闭环模式下工作，用户根据需求操作升降台进行调试或维修。

本实施例的振动摩擦焊接机实施例可以实现如下技术效果：

1)速度可调。用户可以自行设定设计速度，并且该传动系统能严格按照设计速度运行，且平稳无冲击。

2)台面运行速度快。本实施例的振动摩擦焊接机的最大平均运行速度可以达到500mm/s。工件生产周期缩短。

3)台面行走及定位精度高。定位精度可以达到±0.1mm。

4)夹紧力精确稳定。输出端的扭矩检测装置与伺服驱动系统形成的扭矩闭环能够提供精确稳定的夹紧力。

5)无环境污染风险。

作为对上述实施例的替代，其中传动轴6与升降台2之间可设置同步带传动，所述同步带可以设置在传动轴6的一端或两端。其他部分在此不做赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种振动摩擦焊接机的伺服驱动系统，其特征在于，包括

伺服电机、减速箱、传动轴，所述伺服电机安装在所述减速箱上并通过所述减速箱驱动所述传动轴运动，所述传动轴的一端或两端设有传送装置，所述传送装置连接并驱动所述振动摩擦焊接机的升降台沿着所述振动摩擦焊接机的机架上下运动；

所述伺服驱动系统还包括连接并控制所述伺服电机的转速和／或力矩的控制装置。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述控制装置包括：

用户可设定需求的人机操作界面，第一处理单元，伺服控制器；

所述第一处理单元接收来自所述人机操作界面的信息，向伺服控制器发送指令，并接收来自伺服控制器的反馈信号；

所述伺服控制器接收所述第一处理单元发来的指令，并向其发送反馈信号；根据收到的指令调整所述伺服电机的转速和／或力矩输出，和／或控制所述升降台的台面行走位置，并发送输出信息给所述伺服电机。

3.根据权利要求2所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述减速箱上设有输出轴，所述输出轴与所述传动轴连接。

4.根据权利要求3所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述输出轴上安装有扭矩检测装置，用于检测所述减速箱的力矩输出，并将此力矩输出发送给所述控制装置。

5.根据权利要求4所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述控制装置还包括第二处理单元，接收来自所述扭矩检测装置的力矩输出，通过内设的PID闭环控制程序调整所述伺服电机的转速和／或力矩，生成力矩指令和／或转速指令，并将所述力矩指令和／或转速指令发送给伺服控制器；以及

所述伺服控制器接收所述第一处理单元和／或第二处理单元发来的指令，并向其发送反馈信号；根据收到的指令调整所述伺服电机的转速和／或力矩输出，和／或控制所述升降台的台面行走位置，并发送输出信息给所述伺服电机。

6.根据权利要求2所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述伺服控制器包含位置闭环控制模式、力矩闭环控制模式、速度闭环控制模式的一种或多种。

7.根据权利要求1-6任一所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述传送装置包括链轮以及链条，所述传动轴通过所述链轮与所述链条连接并驱动所述升降台。

8.根据权利要求1-6任一所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述伺服驱动系统还包括可检测所述升降台的当前台面位置信息的位移传感器，所述位移传感器将所述位置信息发送给所述控制装置。

9.根据权利要求8所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述伺服驱动系统还包括第三处理单元，接收来自所述位移传感器的位置信息，根据所述位置信息计算调整所述伺服电机的转速并生成力矩指令和／或转速指令，将所述力矩指令和／或转速指令发送给伺服控制器。

10.根据权利要求9所述的伺服驱动系统，其特征在于，所述第一处理单元、所述第二处理单元和所述第三处理单元为一个CPU单元或者两个CPU单元或者三个独立的CPU单元。